【文章內容簡介】 。 32 致 謝 33 貴 州大學本科 課程設計 論文 I ZX5 型數控鉆銑床工作臺設計 摘 要 數控鉆銑床是一種加工用途廣泛的加工機械，本次設計的 ZX 型數控鉆銑床工作臺，主要用于經濟型數控銑床，其精度要求不高，工作量要求 不大。該設計 包括機械 系統(tǒng) 部分的設計和電氣控制部分的控制。其中機械傳動部分的設計又包括機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構的設計，主要涉及導軌副的選擇、滾珠絲杠的計算和校驗以及步進電動機的計算和選型。而電氣控制部分的設計包括控制系統(tǒng)的硬件和軟件兩部分的設計，硬件部分主要有環(huán)分電路、功率驅動電路和電流控制電路的設計，以及單片機的選用，軟件部分主要是單片機控制程序的編寫。這是一個典型的機電一體化系統(tǒng)的設計。 關鍵詞 ： 精度、工作臺、滾珠絲杠、步進電機、控制系統(tǒng)。 貴 州大學本科 課程設計 論文 2 第一章 前 言 數控技術與數控機床概述 隨著計算機技術、 微電子技術、現(xiàn)代控制技術、傳感與檢測技術、制造技術等多學科領域的發(fā)展，數控技術已經成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)中不可或缺的基礎技術，數控技術和數控機床的應用在制造業(yè)中日益普及，已成為機電一體化高新制造技術的基礎和重要組成部分。 數控機床是指應用數控技術對加工過程進行控制的機床，它具有 加工柔性好 、 加工精度高 、 生產率高 、自動化程度高、勞動力要求低等多種優(yōu)點 ，有利于生產管理的現(xiàn)代化以及經濟效益的提高。數控機床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件。 一個國家工業(yè)化發(fā)展的程度，很大 程度在于數控機床的應用上。 我國目前機床現(xiàn)狀 據資料介紹，我國擁有 400 多萬臺機床， 但 絕大部分都是多年累積生產的普通機床。這些機床自動化程度不高，加工精度低，要想在短時期內用自動化程度高的設備大量更新，替代現(xiàn)有的機床，無論從資金還是從我國機床制造廠的生產能力都是不可行的。 因為 新型機床價格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機床設備全部以新型機床替換，國家要花費大量的資金，而替換下的機床又會閑置起來造成浪費，若采用改造技術加以現(xiàn)代化，則可以節(jié)省 50%以上的資金。 因此 盡快將我國現(xiàn)有的部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改造 又勢在必行。為此，如何改造就成了我國現(xiàn)有設備技術改造迫切要求解決的重要課題。 從上述 介紹 中 可以了解到 數控技術用于機床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術與傳統(tǒng)技術相結合的基礎之上。通過理論上的推導和實踐使用的證明，把微機數控系統(tǒng)引入機床的改造有以下幾方面的優(yōu)點：可靠性高 、 柔性強 、 易于實現(xiàn)機電一體化 、 經濟性可觀。為此在舊的機床上進行數控改造可以提高機床的使用性能，降低生產成本，用較少的資金投入而得到較高的機床性能和較大的經濟效益。 貴 州大學本科 課程設計 論文 3 設計的目的及意義 此次課程設計的主要目的 及意義 有： 使大家對數控機床的基本組成及其相 關知識全面地、系統(tǒng)地了解和掌握 。 從本次設計中可以 學習 導軌的計算與選型，以及滾珠絲杠的計算與校核。 掌握常用 步進 電機的工作原理、計算控制方法與控制驅動方式； 使學生學會綜合運用《數控技術》《機電一體化》《機械設計》《單片機原理及應用》等幾門課程所學知識； 鍛煉學生應用手冊和標準、查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力。 設計的任務 本次課程設計是 設計一臺 ZX 兩坐標工作臺，供立式數控銑 銑 床使用。具體內容如下： 機械 系統(tǒng)部分 設計：通過計算 ,正確選擇傳動機構、導向機構、執(zhí)行機構、驅動電機等，根據計算 說明，繪制機械系統(tǒng)裝配圖。 電氣控制部分 設計：根據系統(tǒng)要求，選擇正確的控制策略，設計合理的控制系統(tǒng)，并繪制控制系統(tǒng)電路圖。 撰寫設計說明書。 主要設計參數 型號： ZX5 加速時間： 臺面以上最大重量： 70Kg 工作臺尺寸： 280*200 X 坐標行程： 240mm Y坐標行程： 160mm 脈沖當量： 定位精度： 重復定位精度： 工作臺空載最快移動速度： 2020 mm/min 工作臺進給最快移動速度： 500 mm/min 立銑刀最大直徑： D=15mm 立銑刀齒數： Z=3 最大銑削寬度： 15ea mm? 最大背吃刀量： a8p mm? 每齒進給量 : 加工材料：碳素鋼或有色金屬 貴 州大學本科 課程設計 論文 4 第二章 總體方案的確定 總體方案的確定 根據課 程設計的要求，參考數控十字工作臺的有關資料，確定總體方案如下圖 所示：其原理為通過控制器對數據進行運算處理，將數據發(fā)送給驅動器，經過功率放大后驅動電機，電機通過聯(lián)軸器與絲杠相連，從而驅動工作臺的運動。 圖 ：系統(tǒng)總體原理圖 機械系統(tǒng)傳動部件的選擇 1. 絲杠螺母副的選擇 步進電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足初選 脈沖當量，因為定位精度 ， 要求較高，而絲杠螺母副主要有滑動絲杠螺母 機構和滾珠絲杠螺母機構兩種，相比之下，滑動絲杠螺母機構傳動效率低，僅僅為 30%40%，而 滾動絲杠螺母機構具有 傳動效率高，約 92%— 98%，靈敏度高，無顫動、無爬行，同步性好，定位精度高，使用壽命長等優(yōu)點。雖然 相對于 滑動 絲杠價位偏高， 制造復雜， 但是性價比 較高，也更加符合設計所需滿足條件，因此選用滾珠絲杠螺母機構。 同時 選用內循環(huán)的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸 控 制 器 驅 動 器 驅 動 器 步進 電機 步進 電機 X 向工作臺 Y 向工作臺 聯(lián)軸器 聯(lián)軸器 貴 州大學本科 課程設計 論文 5 結構緊湊，軸向剛度高。由于定位精度不高，故選擇 雙螺母螺紋預緊調整 式，這種調隙方式結構簡單，剛性好， 預緊可靠，使用中調整方便 。由于工 作臺最快的移動速度 為 2020mm/min，故 所需的轉速不高，故可以采用一般的安裝方法，即兩端固定的軸承配置形式。 2. 導軌副的選用 本次設計的十字工作臺所配合的是數控鉆銑床，脈沖當量較小，要求定位精度較高而負載較小，考慮滾動導軌點接觸或者是線接觸，所以其抗震性 較 差，接觸應力大，對導軌的表面硬度和表面形狀精度及尺寸精度要求高 。 而且其結構復雜，制造困難，成本較高，所以考慮還是選用滑動導軌，滑動導軌制造簡單，性價比好，承受負載能力強。且使用矩形導軌，因其有制造、檢驗和維修方便，剛度高等特點。 3. 聯(lián)軸器的選用 考慮到絲杠 的轉速不高，可以選用剛性聯(lián)軸器，它結構簡單，容易制造，而且能保證嚴格對中。 4. 步進 電機的選用 選用步進電動機，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏低，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務書初選的脈沖當量 和 定位精度 要求不高 ，空載最快移動速度也只有 2020mm/min,故本設計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。 電氣控制系統(tǒng)的設計 設計的 XY工作臺準備用在數控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有輪廓控 制，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型。對于步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用 MCS51系列的 8位單片機 AT89S52 作為控制系統(tǒng)的 CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還要擴展程序存儲器， I/O 接口電路， D/A 轉換電路，串行接口電路等。選擇合適的驅動電源，與步進電動 機配套使用 ，由于現(xiàn)在使用的多數都是模塊電路，因此本設計中只需選擇合適的驅動器即可。 貴 州大學本科 課程設計 論文 6 第三章 機械部分的設計計算 導軌上移動部件的重量估算 在該設計中，由于下部分導軌和滾珠絲杠副是受 力最嚴重的導軌和滾珠絲杠副，因此設計中的計算和校核都是基于下部分的，首先估計的是下部分導軌上的所受重力的大?。? 根據任務書給出的數據， Y 向以上質量（含臺面、工件及夾具等） 為 70kg，因此留 10%20%的余量，初步估算導軌上所受重力的大小為 800N。 切削力的計算 零件采用的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳素鋼。查下表 可得立銑時的銑削力計算公式為： znadf pz 0 . 1 31 . 0 0 . 7 30 . 7 50 . 8 5eC 1 1 8 aF ? 表 cF 的計算公式（單位 N） 銑刀類型 工件材料 銑削力計算公式 面銑刀 碳素鋼 灰鑄鐵 可鍛鑄鐵 znadf pz . . 1eC 4 8 2 5 aF ??? 圓柱銑刀 碳素鋼 zadf pz 1 . 0 0 . 8 70 . 7 50 . 8 8eC 1 0 0 0 aF ? 灰鑄鐵 zadf pz 0 . 8 . 9eC 596aF ? 三面刃銑刀 碳素鋼 znadf pz . . 9eC 2 5 6 0 aF ??? 兩面刃銑刀 zadf pz . 8eC 2 7 4 6 aF ?? 立銑刀 znadf pz 0 . 1 31 . 0 0 . 7 30 . 7 50 . 8 5eC 1 1 8 aF ? 由任務書給出的數據可以求出 最大銑削力： 貴 州大學本科 課程設計 論文 7 118118aF 0 . 1 31 . 0 0 . 7 30 . 7 50 . 8 5eC ?? znadf pz 3 = 采用立銑刀進行圓柱銑削時， 根據相關資料表 查得，各銑削力之間的比值范圍如下： cfncecfFFFFFF）（）（~~)~(??? 考慮逆銑時的情況，因為逆銑的情況的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險的工況 ，其如圖 。由此可估算三個方向的銑削力分別為： NNFFNNFFNNFFcfncecf 5 6 5 6 7 1 5 6 ???????????? 圖 銑刀切削力分析比較 貴 州大學本科 課程設計 論文 8 因為銑削方式是 立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力 NFF ez ?? ，受到水平方向的銑削力分別為 fF 和 fnF 。 現(xiàn) 將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向 (絲杠軸線方向 )，則縱向 （軸向） 銑削力 xF ，橫向（徑向）銑削力為 yF 。 NeFzFNfnFyFNfFxF 4 7 9 0 7 1 9?????? 滾珠絲杠副的設計計算 滾珠絲杠螺母副 最大工作載荷 的計算 在立銑時，工作臺受到縱向進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）NFF fx ?? ，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直） NFF fny 8 7 9 0?? ，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直） NFF ez ?? 。已知移動部件總重量 G=800N，按矩形導軌進行計算，最大工作載荷 Fm實驗計算公式及參考系數 如表 所示 ： 表 ： 最大工作載荷 Fm實驗計算公式及參考系數 導 軌類型 實驗公式 K μ 矩形導軌 )( GFFKFF yzxm ???? ? 燕尾導軌 )2( GFFKFF yzxm ???? ? 三角形或綜合導軌 )( GFKFF zxm ??? ? . 8 注：表中 摩擦因數 ? 均為滑 動導軌 的摩擦因 素 。對 于 滑動 導軌~?? ， 取 ?? 。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： ? ?NNNNGFFKFF yzxm)(][)(?????????????? ? 貴 州大學本科 課程設計 論文 9 滾珠絲杠螺母副最大動載荷的計算 由任務書 數據，該 工作臺 在承受 最大銑削 力時的 最快進 給速度v=500mm/min，初選絲杠導程 Ph=5mm,則此時絲杠轉速 n=v/Ph=100r/min。 任務書指出，該設備的使用壽命為 10 年；年均工作 280 天；每天 8小時 。則該 滾珠絲杠 螺母副 的使用壽命 T必須滿足： T=10 280 8=22400h 將其 代入 式60 1060nTL ?得絲杠壽命系數 : )10()10(10 2240010060 6660 rrL ???? 計算滾珠絲杠螺母副的最大動載荷的公式為下式： mHWQ FffLF 3 0? 式 中： L0 為 滾珠絲杠副的壽命，單位（ 106r）。 Wf 為 載荷系數，由表 查得。 Hf 為 硬度系數（ ≥58HRC 時，取 ；等于 55HRC 時，取 ；等于 時，取 ；等于 50HRC 時，取 ；等于 45HRC 時，取 ） 。 Fm為 滾珠絲杠副的最大工作載荷， 其 單位為 N。 取載荷系數 ?wf ，軌道硬度為 60HRC 時，取硬度系數 ?Hf 則 有 ： NNFffLF mHWQ)( 33 0?????? 即滾珠絲杠副的最大動載荷為 。 表 ： 滾珠絲杠載荷系數 運轉狀態(tài) 載荷系數Wf 平穩(wěn)或輕度沖擊 ～ 中等沖擊 ～ 較大沖擊或振動 ～ 貴 州大學本科 課程設計 論文 10 初選滾珠絲杠副型號 根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程， 查相關資料選擇的滾珠絲杠副型號為 FFZD32055型 內循環(huán)浮動式螺紋預緊滾珠絲杠副 滾珠絲杠副， 如圖 為該滾珠絲杠的安裝及外形尺寸，其幾何參數如表 。 圖 ： FFZD32055滾珠絲杠螺母副安裝及外形尺寸 表 ： FFZD32055型滾珠絲杠螺母副幾何參數（單位 mm） 公稱直徑 0d 基本導程 Ph 絲杠外徑 1d 絲杠底徑 2d 循環(huán)圈數 鋼球直徑 wd 額定動載荷 Co/KN 額定靜載荷 Coa/KN 32 5 5 螺母安裝尺寸 L1 B h D3 D4 D5 D6 D7 108 13 7 82 67 7 12 62 確定滾珠絲杠副的螺紋長度：由式 cq LLLL 22 ??? ?? 確定， 該式中， ?L 為有效行程， ?L =行程 +螺母長度 =240+108=348mm； ?L 為安全行程， ?L =5 0L =25mm；cL 為余程， cL =2 0L =10mm。 則計算得： mmLLLL cq 41822 ???? ?? 貴 州大學本科 課程設計 論文 11 支承方式的選擇與軸承壽命校核 支承方式的選擇 根據絲桿尺寸和有關數據， 經過查閱 軸承選取的相關 資料，并結合本設計具體情況選擇 “ 單推－單推 ”的 支承方式 ，選用的軸承為 60 度接觸角推力角接觸球軸承，其主要參數如表 所示；圖 ； 表 ：角接觸球軸承主要參數 軸承名稱 軸承型號 結構尺寸 安裝尺寸 額定載荷 數量 角接觸 球軸承 760205TIN d=25mm,B=15mm,D=52mm D1=32mm D2 =45mm 2 圖 ：角接觸球軸承尺寸結構 軸承壽命校核 驗算角接觸球軸承的壽命， 根據絲杠的設計尺寸，初選用軸承型號為760205TIN 的軸承，其相關參數 為 ， 額定動載荷 kNCr ? 。 由計算知 最大工